講座32鐵碳相圖的應(yīng)用C曲線(課程思考題).ppt

加熱與冷卻制度對(duì)相變的影響 鐵碳相圖的應(yīng)用（C曲線與CCT曲線）,一、局限性 1反映的是平衡相，而不是組織 2反映二元合金中相的平衡狀態(tài) 3沒(méi)有反映時(shí)間的作用（為平衡條件下，沒(méi)考慮冷卻速度） 要解決以上疑問(wèn)必須了解時(shí)間因素，如等溫、實(shí)際非平衡連續(xù)冷卻過(guò)程相轉(zhuǎn)變的規(guī)律；必須了解合金元素的對(duì)相轉(zhuǎn)變影響。 二、應(yīng)用 1選材 2熱加工工藝制定的基礎(chǔ),鐵碳相圖的局限性與應(yīng)用,重點(diǎn)掌握,1. 鋼加熱時(shí)組織轉(zhuǎn)變及影響因素； 2. 本質(zhì)晶粒度與實(shí)際晶粒度的含義，控制晶粒度大小的因素； 3. 共析鋼奧氏體等溫冷卻曲線中各條線的含義。C曲線中各溫度區(qū)域內(nèi)奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形貌、性能特點(diǎn)。 4. 非共析鋼C曲線與共析鋼C典線的差別；影響C曲線的因素； 5. 奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的特點(diǎn)，冷卻速度對(duì)鋼的組織變化和最終性能的影響等； 6.影響C曲線的因素,1.鋼加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 2.奧氏體化 3.鋼冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 4.等溫轉(zhuǎn)變曲線 C-curve/ TTT(TimeTemperatureTransformation) 5.連續(xù)冷卻曲線 CCT(Continuous Cooling Transformation） 6. 影響C曲線的因素,本節(jié)提綱,鋼在再加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 參考宋維錫金屬學(xué) p318,一、共析鋼的奧氏體化（再加熱奧氏體化目的？）晶格改組和Fe，C原子的擴(kuò)散過(guò)程。遵循形核、長(zhǎng)大規(guī)律:在晶界上形核，滲碳體溶解、鐵素體通過(guò)點(diǎn)陣重構(gòu)轉(zhuǎn)變成奧氏體，如下圖所示。,共析鋼奧氏體化溫度Ac1及其轉(zhuǎn)變式：,共析鋼加熱時(shí)在Ac1溫度，奧氏體化轉(zhuǎn)變式： F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69) A (fcc, 0.77) 實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度：隨加熱（或冷卻）速度增加，偏離平衡轉(zhuǎn)變溫度A1（727）也愈大！,二共析鋼奧氏體化過(guò)程與機(jī)制,a. 界面形核 （優(yōu)先在鐵素體F與滲碳體Fe3C相界）； b. C擴(kuò)散、鐵素體晶格重構(gòu)，奧氏體長(zhǎng)大； c. 滲碳體完全溶解，碳成分不均勻的奧氏體； d. 碳在奧氏體中的均勻化。,共析鋼奧氏體化過(guò)程與機(jī)制,三、影響奧氏體化的因素,1加熱溫度影響 不同溫度下等溫時(shí)奧氏體化過(guò)程與時(shí)間的關(guān)系如圖所示；也稱奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)關(guān)系。 TA化轉(zhuǎn)變進(jìn)程加快 (D）,2加熱速度與珠光體中滲碳體層片間距的影響,V（dT/dt)轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度，轉(zhuǎn)變時(shí)間,3合金元素影響（合金鋼時(shí)要考慮的問(wèn)題） a. Cr、Mo、W、V、Nb、Ti強(qiáng)碳化物形成元素（也是其封閉或縮小A相區(qū)的原因），降低奧氏體形成速度； b. Co、Ni非碳化物形成元素（開(kāi)啟A相區(qū)原因），能加快C在A中的擴(kuò)散速度，加快A形成速度; c.認(rèn)為 Al、Si、Mn影響不大。 d.合金元素在A中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于C! （對(duì)合金鋼奧氏體化處理時(shí)間與溫度的影響？）,4奧氏體化前的原始組織影響 片狀珠光體，片間距小相界面多碳彌散度大碳原子擴(kuò)散距離短奧氏體形核長(zhǎng)大比粒狀原始組織中要快。,四、奧氏體晶粒大小及控制,1晶粒度（grain size Index） : 表征晶體內(nèi)晶粒大小的量度，通常用單位長(zhǎng)度，面積，體積內(nèi)的晶粒數(shù)或晶粒度級(jí)別表示。 ASTM method （美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)的晶粒度標(biāo)定法），通常用與晶粒大小標(biāo)準(zhǔn)圖比較來(lái)確定鋼的晶粒度級(jí)別。,其中1-4為粗晶粒；5級(jí)以上為細(xì)晶粒。常分8級(jí)。,晶粒度的測(cè)定方法：93010保溫38小時(shí)(100),2奧氏體起始晶粒度、實(shí)際晶粒度、本質(zhì)晶粒度 起始晶粒度為（珠光體）加熱剛轉(zhuǎn)變成奧氏體時(shí)的晶粒度，一般比較細(xì)。 實(shí)際晶粒度：加熱或加工條件下獲得的晶粒度。 本質(zhì)晶粒度：加熱過(guò)程中，鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向。 奧氏體晶粒隨溫度的升高而穩(wěn)定快速長(zhǎng)大本質(zhì)粗晶鋼； 奧氏體晶粒隨溫度升高到某一溫度時(shí)，才迅速長(zhǎng)大本質(zhì)細(xì)晶鋼。,本質(zhì)粗晶粒鋼和本質(zhì)細(xì)晶粒鋼 奧氏體晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)與特征,思考題： 1）如何測(cè)定鋼的晶體粒度？ 2）如何測(cè)定鋼本質(zhì)晶粒度？,3奧氏體晶粒度的控制 影響奧氏體晶粒度的因素,a. 加熱工藝 加熱溫度，保溫時(shí)間 b. 成分的影響 A中C%（擴(kuò)散速度增加）A晶粒長(zhǎng)大 碳化物（MxC%，釘扎晶界） A晶粒長(zhǎng)大 1)碳化物形成元素一般有細(xì)化晶粒作用； 2）Al脫氧鋼或鋼中含有VTiNb等容易形成氮化物、碳化物元素，能抑制A長(zhǎng)大這類鋼一般為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼； 3）認(rèn)為Mn 、P能促進(jìn)A長(zhǎng)大。,鋼再加熱奧氏體化的目的再控制其冷卻、獲得所需要的組織與性能 鋼在冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變,熱處理中兩種常用 的冷卻方式： 1）等溫處理 2）連續(xù)冷卻 圖中臨界溫度在這 指A化溫度。,其中馬氏體是連續(xù)冷卻過(guò)程形成，Ms,Mf不屬于等溫轉(zhuǎn)變特征點(diǎn)！,Time-temperature transformation (TTT) diagrams也稱 過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變C曲線,measure the rate of transformation at a constant temperature. In other words a sample is austenitised and then cooled rapidly to a lower temperature and held at that temperature whilst the rate of transformation is measured, for example by dilatometry. Obviously a large number of experiments is required to build up a complete TTT diagram.,一、過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變與產(chǎn)物 （理解C曲線）,1 共析鋼過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線: 如前所述，將奧氏體化后的鋼冷卻到一定溫度，保溫，測(cè)量A過(guò)冷轉(zhuǎn)變開(kāi)始和終了時(shí)間；將不同溫度下的等溫轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn)與終了點(diǎn)分別連成線即得C曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)： 對(duì)共析鋼A1以上：A穩(wěn)定 A1以下：A不穩(wěn)定，過(guò)冷 C曲線有一最小孕育期(約過(guò)冷到550等溫轉(zhuǎn)變時(shí)）： 1)T，AP的驅(qū)動(dòng)力F提高 2)TD,認(rèn)識(shí)共析鋼C曲線,2共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和特征 （1）高溫轉(zhuǎn)變區(qū)：A1溫度至鼻子溫度（550） A過(guò)冷度不同，等溫轉(zhuǎn)變將會(huì)分別產(chǎn)生不同層間距的珠光體結(jié)構(gòu)，為了便于區(qū)分： 珠光體P(Pearlite,A1-650)， 索氏體S(Sorbite,650-600)， 屈氏體T(Troosite，600-550)。 一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)變溫度低，D，長(zhǎng)大慢層間距薄，硬度HB，強(qiáng)度 。,珠光體型組織（珠光體、索氏體、屈氏體）有何相同和不同點(diǎn)？,1.珠光體 鐵素體與滲碳體的片間距為0.60.7m，通常用符號(hào)P表示。 2.索氏體 索氏體也是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，但是片間距比珠光體小，約為0.25m。用金相顯微鏡放大600倍能分辨出鐵素體和滲碳體的片層結(jié)構(gòu)。這種組織在鐵碳合金狀態(tài)圖上找不到它，因?yàn)樗且环N不穩(wěn)定組織。碳鋼和低合金鋼采用正火或奧氏體等溫分解，就能獲得索氏體組織。索氏體具有良好的綜合機(jī)械性能。通常用符號(hào)S代表索氏體。 b6861372（MPa） 1020 HBS250320 3.屈氏體 屈氏體也是一種珠光體型組織，鐵素體和滲碳體的片層間距為0.1m，可用金相顯微鏡放大1000倍以上就能分辨清鐵索體和滲碳體的片層，它比索氏體更細(xì)。其性能如下 b13721666（MPa） 510 HBS400500 屈氏體亦稱托氏體，通常用符號(hào)T表示。 由此可見(jiàn)，索氏體、屈氏體都為珠光體型組織，區(qū)別點(diǎn)在于鐵索體與滲碳體的片層間距大小不一，片間距愈小，相界面愈多，強(qiáng)度、硬度愈高，但塑性下降。,珠光體/Pearlite,索氏體(S)細(xì)珠光體 英國(guó)冶金學(xué)家HCSorby,屈氏體(T)極細(xì)珠光體 法國(guó)金相學(xué)家LTroost,（2）中溫區(qū)貝氏體轉(zhuǎn)變 550-230（MS） Bainite 是碳化物分布在含過(guò)飽和碳的F基體上的兩相機(jī)械混合物。是介于擴(kuò)散性P轉(zhuǎn)變和非擴(kuò)散性M轉(zhuǎn)變之間的中間轉(zhuǎn)變， 可細(xì)分：,1）550-350：上貝氏體，呈羽毛狀。碳化物在F間，強(qiáng)度不高、韌性差； 2）350-M S：下貝氏體，黑色針狀。針狀鐵素體內(nèi)有片狀碳化物，強(qiáng)韌性高，綜合機(jī)械性能好。,貝氏體是介于擴(kuò)散性珠光體與非擴(kuò)散性馬氏體之間的一種中間轉(zhuǎn)變（半擴(kuò)散型組織）。 其轉(zhuǎn)變沒(méi)有鐵原子的擴(kuò)散，但通過(guò)切變進(jìn)行從奧氏體向鐵素體的點(diǎn)陣重構(gòu)，并通過(guò)碳原子的擴(kuò)散進(jìn)行碳化物的沉淀析出。,（3）低溫區(qū)轉(zhuǎn)變230以下的馬氏體轉(zhuǎn)變,MSMf之間一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成的，屬于非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。 A過(guò)冷M+A(殘余奧氏體) b. 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：馬氏體M，碳在-Fe中的過(guò)飽和固溶體。 C%1.0%，針狀高碳馬氏體：片狀、硬而脆（高碳馬氏體） c. 實(shí)質(zhì)：T低C無(wú)法擴(kuò)散非擴(kuò)散性晶格切變過(guò)飽和C的鐵素體。 d. M轉(zhuǎn)變的特征，無(wú)擴(kuò)散性 瞬時(shí)性 存在Ms,Mf 不完全性，經(jīng)常有殘余奧氏體. 發(fā)生體積膨脹。,板條狀低碳M，高的強(qiáng)韌性,針狀高碳馬氏體：片狀、硬而脆,碳含量與馬氏體轉(zhuǎn)變、殘余奧氏體（A殘或A/）形成,含碳量對(duì)馬氏體硬度的影響,3共析鋼等溫轉(zhuǎn)變組織與性能的關(guān)系總結(jié),（1）珠光體型組織 轉(zhuǎn)變溫度降低，片間距小，細(xì)晶強(qiáng)化強(qiáng)度、硬度、 塑性、韌性提高；（分別獲得珠光體、索氏體、屈氏體） （2）貝氏體 B上：強(qiáng)度、韌性差 B下：硬度高，韌性好，具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能 （3）馬氏體 硬度高，C%HRC 片狀（針狀）馬氏體，硬而脆，塑、韌性差；高碳馬氏體。 板條狀馬氏體，強(qiáng)度高，塑性，韌性好；低碳馬氏體。 問(wèn)題：各種組織的形成機(jī)制、類型與特性分析？,4亞（過(guò)）共析鋼的等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（簡(jiǎn)單說(shuō)明）,In the simple case of a eutectoid plain carbon steel, the curve is roughly C-shaped with the pearlite reaction occurring down to the nose of the curve and a little beyond. At lower temperatures bainite and martensite are formed. The diagrams become more complex for hypo- and hyper-eutectoid alloys(亞/過(guò)共析鋼)as the ferrite or cementite reactions have also to be represented by additional lines. 此外,亞（過(guò)）共析鋼完全奧氏體化的溫度要分別高于Ac3和Accm.,過(guò)共析鋼C曲線特征（示意圖） 二次滲碳體線（高溫區(qū)等溫轉(zhuǎn)變有先析出滲碳體）,亞共析鋼C曲線特征（示意圖） （高溫區(qū)等溫轉(zhuǎn)變有先析出鐵素體）,Hypoeutectoid Isothermal Transformation Curve 實(shí)際亞共析鋼C曲線其過(guò)冷A極不穩(wěn)定,二 影響共析鋼等溫冷卻轉(zhuǎn)變 /C曲線的因素,C曲線反映奧氏體的穩(wěn)定性及分解轉(zhuǎn)變特性，取決于奧氏體的化學(xué)成分和加熱時(shí)的狀態(tài)。 C曲線的形狀（反映產(chǎn)物）、位置（反映穩(wěn)定性）不僅對(duì)過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變速度和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能具有重要意義，而且對(duì)鋼的熱處理工藝也有指導(dǎo)性作用。,（一） 成分對(duì)C曲線的影響 1含碳量的影響,共析鋼，C曲線最靠右邊，過(guò)冷A穩(wěn)定性最高。 亞/過(guò)共析鋼，其過(guò)冷A都不穩(wěn)定，其中： 1）對(duì)亞共析鋼，鋼中C%，A中C%，其C曲線右移，過(guò)冷A趨于穩(wěn)定; 2）對(duì)過(guò)共析鋼，一般在ACcm以上A化，鋼中C%，未溶Fe3C有利于形核其C曲線左移，過(guò)冷A更不穩(wěn)定.,2合金元素,除Co以外，所有合金元素溶入A中，增大過(guò)冷A穩(wěn)定性右移 非碳化物形成元素或弱碳化物形成元素，Si,Ni, Cu, 不改變C曲線形狀 中、強(qiáng)碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V, Nb, Ti, 改變C曲線形狀，右移動(dòng)、兩鼻尖； 除Co,Al 外，均使Ms,Mf 下降，殘余A,（二）奧氏體化條件的影響,1加熱溫度和時(shí)間 A化溫度，時(shí)間（成分均勻，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）A穩(wěn)定性，C曲線右移。,三 .過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線 CCT曲線,Continuous cooling transformation (CCT) diagrams 過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻CCT曲線的獲得,measure the extent of transformation as a function of time for a continuously decreasing temperature. In other words a sample is austenitised and then cooled at a predetermined rate and the degree of transformation is measured, for example by dilatometry(如用Gleeble熱模擬機(jī)）. Obviously a large number of experiments is required to build up a complete CCT diagram.,共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變圖：CCT曲線 (Continuous Cooling Transformation）,PS：AP開(kāi)始線 Pf：AP終止線 K-k：珠光體型轉(zhuǎn)變終止線，余下的作M轉(zhuǎn)變。 Vk：上臨界冷卻速度（馬氏體臨界冷卻速度）M最小冷速 Vk：下臨界冷速完全P最大冷速,CCT曲線與不同冷卻工藝示意,2共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線和等溫轉(zhuǎn)變曲線的比較 （1）CCT位于TTT曲線右下方 ；AP轉(zhuǎn)變溫度低一些，t長(zhǎng)一些。 （2）CCT只有高溫區(qū)珠光體轉(zhuǎn)變、低溫區(qū)M轉(zhuǎn)變，無(wú)中溫區(qū)B轉(zhuǎn)變（但一些合金鋼多還是有的，如p328頁(yè)45Cr）。,Significant influence of composition on the TTT and CCT diagrams. 合金元素對(duì)TTT和CCT曲線影響,An increase in carbon content shifts the CCT and TTT curves to the right (this corresponds to an increase in hardenability as it increases the ease of forming martensite - i.e. the cooling rate required to attain martensite is less severe). An increase in carbon content decreases the martensite start temperature. An increase in Mo content shifts the CCT and TTT curves to the right and also separates the ferrite + pearlite region from the bainite region making the attainment of a bainitic structure more controllable.,3C曲線的應(yīng)用初步介紹 金屬熱處理,（1）根據(jù)工件要求，確定熱處理工藝。 （2）確定工件淬火時(shí)的臨界冷速。 （3）C曲線可以近似指導(dǎo)連續(xù)冷卻操作，如圖： V1:爐冷（退火） P V2: 空冷，S，T V3：油冷，T，M，A V4：水冷，M+A Vk ：臨界冷卻速度 （4）選擇鋼材的依據(jù) （5）C曲線對(duì)選擇淬火介質(zhì)與淬火方法有指導(dǎo)。,熱處理不同冷卻方式所獲得組織的示意分析 (An Example ProblemAssume a Eutectoid Low Carbon Steel),(a) Water-quench to room Temperature. (b) Hot-quench at 690C water-quench,作業(yè)1,理解鋼加熱奧氏體化及奧氏體的形成過(guò)程。 測(cè)定過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖C曲線的方法。 為什么片狀珠光體在較低溫度下形成具有較細(xì)的片層結(jié)構(gòu)？ 何謂過(guò)冷奧氏體的孕育期? 過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的繪制方法。,作業(yè)2,馬氏體（片狀馬氏體、板條馬氏體）轉(zhuǎn)變的定義和特點(diǎn) 貝氏體形態(tài)與差異：上貝氏體、下貝氏體、粒狀貝氏體。 回火的定義、目的和回火時(shí)的組織變化。 退火的定義、目的、分類。 正火定義、目的。且與退火相比有何不同？ 淬火的定義、目的。 淬透性與淬硬性。 回火的定義、目的、種類。 形變熱處理。 化學(xué)熱處理的定義、分類。,作業(yè)3,1.合金元素對(duì)奧氏體、貝氏體、馬氏體轉(zhuǎn)變的影響 2.金屬材料強(qiáng)化的種類（機(jī)理與方法） 3.為什么片狀珠光體在較低溫度下形成具有較細(xì)的片層結(jié)構(gòu)？ 4.具有什么性質(zhì)的元素有利于擴(kuò)大鐵的相區(qū)？ 5.從化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、性能來(lái)談珠光體中鐵素體、貝氏體、馬氏體的異同。 6.合金元素對(duì)珠光體和馬氏體轉(zhuǎn)變的影響。 7.何謂金屬的多形性轉(zhuǎn)變？單相合金？復(fù)相合金？一（二）次固溶體？ 8.何謂固溶體的脫溶？何為脫溶強(qiáng)化 9.何謂馬氏體？舉例說(shuō)明哪些金屬中有馬氏體轉(zhuǎn)變。 11.比較熱處理“四火”（目的和工藝特點(diǎn)）。,作業(yè)4,碳鋼或合金鋼能夠進(jìn)行熱處理的依據(jù)； 末端淬火法及其用途； 淬透性曲線與淬透性帶； 影響淬透性的因素； 影響淬硬性的主要因素； 鋼材分類與典型鋼號(hào)的含義； 鐵-碳相圖中特征轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)或溫度線及其含義；加熱與冷卻對(duì)其的影響。 晶粒度級(jí)別與晶粒粗細(xì)； 奧氏體晶粒度的不同概念； 碳化物與固溶體脫溶是如何使鋼強(qiáng)化的； 調(diào)質(zhì)鋼,作業(yè)5,金屬材料的主要力學(xué)特性有那些，試通過(guò)典型的單向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線說(shuō)明之； 金屬材料的常見(jiàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線有那些表現(xiàn)形式，試畫(huà)圖說(shuō)明； 如何實(shí)驗(yàn)確定金屬材料的強(qiáng)度特性和塑性特性； 何謂韌性，何為疲勞，何為蠕變； 5. 比強(qiáng)度與屈強(qiáng)比; 6. 何為硬度，硬度有那些表示方法